1、摘 要 供水工程往往成为高层建筑或工矿企业和小型企业中最重要的基础设施之一。任何时候都能提供足够的水量、平稳的水压、合格的水质是对给水系统提出的基本要求。就目前而言，多数工业、生活供水系统都采用水塔、层顶水箱等作为基本储水设备，由一级或二级水泵从地下市政水管供给。因此，如何建立一个可靠安全、又易于维护的供水系统是值得我们研究的课题。本文将研究和介绍利用 PLC/PID/单片机等来检测它的水位状况，结合可编程控制技术、变频控制技术、电机泵组控制技术的新型机电一体化供水装置 ,通过 PLC/PID 解决控制系统的稳定 性和准确性。从而取得较好的控制效果。 关键词： PLC 变频控制 /恒压供水 恒
2、压测试 目 录 摘 要 目 录 第 1 章 前言 1 第 2 章 变频恒压供水工作原理 2 第 3 章 变频恒压供水系统技术方案 4 3.1 系统介绍 4 3.2 PLC 功能 4 3.2.1 控制信号采集 4 3.2.2 被自动控制的工作对象 4 第 4 章 建筑给水系统超压出流的实测分析 6 4.1 测试对象 6 4.2 测试装置 6 4.3 测试内容和方法 7 4.3.1 测试点和测试时间 7 4.3.2 测试方法 7 4.4 普通水龙头半开状态 7 4.5 节水龙头半开状态 8 4.6 结语 8 第 5 章 变频恒压供水系统的设计 10 5.1 变频恒压供水技术概述 10 5.1.1
3、系统构成与控制方式选择 10 5.1.2 各条件下供水具体控制方式 11 5.2 实际系统的设计 12 5.2.1 实际系统中应考虑的其他因素 12 5.2.2 管网水压控制点的选择 13 5.3 抗干扰问题 13 5.4 故障时的问题 13 第 6 章 专用变频器在恒压供水装置中的应用 15 6.1 回顾 15 6.2 变频控制恒压供水控制方式 16 6.2.1 逻辑电子电路控制方式 16 6.2.2 单片微机电路控制方式 17 6.2.3 新型变频调速供水设备 18 第 7 章 PLC 控制变频器恒压供水系统 21 7.1 概述 21 7.2 控制系统构成 21 7.3 PLC 控制系统简
4、介 22 7.4 恒压供水的控制原理 23 7.5 相关控制功能实现 25 7.6.1 运行效果分析 26 7.6.2 高效节能 27 7.7 提高自动化水平 27 第 8 章 小区变频恒压供水系统 28 8.1 概述 28 8.2 变频节能理论 28 8.2.1 交流电机变频调速原理 28 8.3 变频恒压供水系统及控制参数选择 29 8.3.1 变频恒压供水系统组成 29 8.3.2 变频恒压供水系统的参数选取 30 8.4 变频恒压供水系统的优点 30 第 9 章 结论 33 致谢 34 参考文献 35 第 1 章 前言 为了使用户用水的多少是经常变动的，因此供水不足或供水过剩的情况时有
5、发生。而用水和供水的平衡集中反映在供水的压力上，即用水多而供水少，则压力低；用水少而供水多，则压力大。保持供水压力的恒定，可使 供水和用水之间保持平衡，即用水多时用水也多，用水少时用水也少，从而提高了供水的质量。 恒压供水是指在供水网中用水量发生变化的时候，出口压力保持不变的供水方式。供水网系出口压力值是根据用户需求确定的。传统的恒压供水方式是采用水塔、高位水箱、气压管等设施实现的。随着变频调速技术的日益成熟和广泛应用，利用内部包含有 PID 调节器、单片机、 PLC 等器件有机结合的供水专用变频器，构成控制系统，调节水泵的输出流量，实现恒压供水。 此外 ,这次课程设计对我还有以下意义 : (
6、1) 通过这次课程设计，加深对 PLC 等理论方面的 理解。 (2) 了解和掌握 PLC 应用系统的软硬件设计过程、方法及实现，为以后设计和实现 PLC应用系统打下良好基础。 (3) 通过简单的课题设计练习，了解必须提交的各项工程文件，也达到巩固、充实和综合运用所学知识解决实际问题的目的。 第 2 章 变频恒压供水工作原理 全自动变频调速供水设备是应用先进的现代控制理论，结合可编程控制技术、变频控制技术、电机泵组控制技术的新型机电一体化供水装置。该设备通过安装在水泵出水总管上的远传压力表（内为一滑动电阻），将出口压力转换成 0-5V 电压信号，经 A/D 转换模块将模 拟电压信号转换成数字量并
7、送入可编程序控制器，经可编程内部 PID 运算，得出一调节参量并将该参量送入 D/A 转换模块，经数摸转换后将得出模拟量传送变频器，进而控制其输出频率的变化。设备采用多泵并联的供水方式，用户用水量的大小决定了投入运行的水泵的数量，当用水量较小时，单台泵变频工作，当用水量增加，水泵运行频率随之增加，如达到水泵额定输出功率仍无法满足用户供水要求时，该泵自动转换成工频运行状态，并变频启动下一台水泵。反之，当用水量减少，则降低水泵运行频率直至设定下限运行频率，如供水量仍大于用水量，则自动停止工频运行 泵同时变频泵转速增加。当用水量降至某一程度时（如夜间用水很少时），变频主泵停止工作，改由辅泵及小型气压
8、罐供水。节能运行：变频恒压供水控制器采用最新微电脑设计处理器设计制造配备液晶中文显示 ,参数显示、设定就一目了然了。产品特点： (1)外部接线简单 :用户只需通过菜单设置，即可使控制器适用于不同的供水控制系统；无需改变复杂的外部接线。 (2)可靠性 :由于控制器已将各种功能模块集成于内部，外部配件少，、进一步降低了整个系统出现故障的机会。 (3)调试简单方便 :丰富而完美的汉字提示。使一般的操作人员无需经过复杂的培 训，也能对各种操作应用自如。 (4)系统功能完善 :与目前国内同类设备比较，本设备更显示出其独特的优点。在设备工作现场，工程人员可根据泵组的实际情况在显示下，随时改变各种控制参数，
9、由于保证泵组处于最优化的运行状态。 (5)控制精度高本控制程序中所有的模拟量均为数码处理。改良的 PID 数字控制系统能够避免一般 PID 死区（对水泵控制而言）所带来的控制误差 ,使系统的供水压力更加稳定。 (6)睡眠功能的最新应用可使机组在每天的零流量的区域中自动启、停，间歇型的供水方式 ,使节电效果更佳。 (7)控制功能先进控制系统可在汉 字显示屏上明确显示其工频、变频、转换的运行工况。 (8)维修简单方便独有的系统故障检测、明确的故障部位（中文）提示 ,使工程人员能够清楚地了解故障所在 ,帮助维修人员检查故障发生的部位的部位和原因。 1 引言 恒压供水系统对于某些工业或特殊用户是非常重
10、要的，例如在某些生产过程中，若自来水供水压力不足或短时断水，可能会影响产品质量，严重时使产品报废和设备损坏。又如当发生火警时，若供水压力不足或无水供应，不能迅速灭火，可能引起重大经济损失和人员伤亡。所以，某些用水区采用 恒压供水系统 ，具有较大的经济和社会意义。 基于上述情况对某生活区供水系统进行了改造，采用 PLC 作为中心控制单元，利用变频器与PID 相结合，根据系统状态可快速调整供水系统的工作压力，达到恒压供水的目的，提高了系统的工作稳定性，得到了良好的控制效果。 2 系统结构与工作原理 供水系统由主供水回路、备用回路、储水池及泵房组成，其中泵房装有 1# 3#共 3 台 150kW泵机
11、。另外，还有多个电动闸阀或电动蝶阀控制各供水回路和水流量。由于该供水网较大，系统需要供水量每小时开 2 台泵机向管网充压，供水量大时，开 3 台泵机同时向管网充压。要想维持供水网的压力不变，在管网 系统的管道上安装了压力变送器作为反馈元件，为控制系统提供反馈信号，由于供水系统管道长、管径大，管网的充压比较慢，故系统是一个大滞后系统，不宜直接采用 PID 调节器进行控制，而应采用 PLC 参与控制的方式来实现对控制系统调节作用。可编程序控制器选择日本松下 FP1-C40 型，且配有 A/D 和 D/A 模块，其原理框图如图 1 所示。变频器选择 FRN1 60G7P-4 实现电动机的调速运行。
12、控制系统主要由 PLC、变频器、切换继电器、压力传感器等部分组成。控制核心单元 PLC 根据手动设定压力信号与现场压力传感器的反馈信号经 PLC 的分析和计算，得到压力偏差和压力偏差的变化率，经过 PID 运算后， PLC将 0 5V 的模拟信号输出到变频器，用以调节电机的转速以及进行电机的软起动 ;PLC 通过比较模拟量输出与压力偏差的值，通过 I/O 端口开关量的输出驱动切换继电器组，以此来协调投入工作的电机台数，并完成电机的起停、变频与工频的切换。通过调整电机组中投入工作的电机台数和控制电机组中一台电机的变频转速，使动力系统的工作压力稳定，进而达到恒压供水的目的。 图 1 恒压供水系统原
13、理图 3 系统程序设计和 PLC 的 I/O 分配 系统程序包括起动子程序和运行子 程序，其流程图如图 2 所示。运行子程序又包括模拟调节子程序 (其流程图如图 3 所示 )和电机切换子程序 (流程图略 )，电机切换子程序又包括加电机子程序和减电机子程序 (程序设计略 )。 PLC 的输入、输出端子分配情况如附表所示。 图 2 起动程序流程图 图 3 模拟调节流程图 附表 可编程序控制器 (C40)部分输入、输出端子分配 4 系统工作过程 加上起动信号 (X4)后，此信号被保持，当条件满足 (即 X2 为 “1”) 时，开始起动程序，此时由 PLC 控制 1# 电机变频运行 (此时 Y0、 Y
14、6、 Y7 亮 )，同时定时器 T0 开始计时 (10s)，若计时完毕 X2 仍亮，则关闭 Y0、 Y6(Y7 仍亮 )， T2 延时 1s(延时是为了两方面的原因 :一是使开关充分熄弧，防止电网倒送电给变频器，烧毁变频器 ;二是让变频带器减速为零，以重新起动另一台电机 )。延时完毕，则有 1#机投入工频运行， 2#机投入变频运行，此时 Y1、 Y2、 Y6、Y7 亮，同时定时器 T1 开始计时 (10s)，若计时完毕 X2 仍未灭，则关闭 Y2、 Y6， (Y1、 Y7 仍亮， )T3 延时 1s，延时完毕，将 2#机投入工频运行， 3#机投入变频运行， (此时 Y1、 Y3、 Y4、Y6、
15、 Y7 亮， )再次等待 Y7 灭掉 后，则整个起动程序执行完毕，转入正常运行调节程序，此后起动程序不再发生作用，直到下一次重新起动。在起动过程中，无论几台电机处于运行状态， X2 一旦灭掉，则应视为起动结束 (Y7 灭掉 )，转入相应程序。综合整个起动过程，完成3 台电机的起动最多需要 22s 的时间。 运行过程中，若模拟调节器节上、下限值均未达到 (即 X1、 X2 灭 )，则此时变频器处于模拟调节状态 (此时相应电机运行信号和 Y6 亮 )。 若达到模拟调节上限值 (X1 亮 )，则定时器 T4 马上开始定时 (5s)。定时过程中监控 X1，若X1 又灭掉，则关闭定时器，继续摸拟调节 ;
16、若 T4 定时完毕， X1 仍亮，则起动一低速 (Y8 亮 )，进行多段速调节，同时定时器 T5 开始定时 (3s)，定时完毕。若 X1 仍亮，则关闭此多段速，起动一更低速 (Y9)，同时定时器 T6 定时 (10s)。定时完毕，若 X1 仍亮，则关掉 Y9，此后 X0很快会通，转入切换动作程序。在此两级多段速调节过程中，无论何时，若 X0 亮，则会关闭相应多段速和定时器，同时进行切换动作，即转入切换程序。同样，若无论何时， X1 灭掉，则关闭运行多段速和定时器，转入模拟调节。 若达到模拟调节下限值 (X2 亮 )，则定时器 T7 马上开始定时 (5s)，定时过 程中监控 X2，若X2 又灭掉
17、，则关闭定时器，继续摸拟调节，若 T7 定时完毕， X2 仍亮，则起动一高速 (Y7、Y2)，进行多段速调节，同时定时器 T8 开始定时 (3s)，定时完毕。若 X2 仍亮，则关闭此多段速，起动一更高速 (Y8、 Y9)，同时定时器 T9 定时 (10s)，定时完毕。若 X2 仍亮，则关掉Y8、 Y9，此后 X3 很快会通，转入加电机动作程序。在此两级多段速调节过程中，无论何时，若 X3 亮，则会关闭相应多段速和定时器，同时进行加电机动作，即转入加电机程序。同样，若无论何时， X2 灭掉，则关闭运行多段速和定时器，转入模拟调节。 电机切换程序分为电机切除程序和加电机程序两部分。此程序动作的条件
18、是 :起动结束后无论何时 X0 亮，一旦条件满足，即由 PLC 根据电动机的运行状态来决定相应切换哪台电机，切换时只能切换工频运行电机。 若工作状态是 1 台变频 1 台工频，则立即切除工频电机，然后计数值减 1，即完成此过程，再由调节程序运行，调节至满足要求为止。 若 3 台电机同时工作，则应由 PLC 来决定切除哪台工频运行电机。切除依据是 3 台电机对应计数器的大小，谁大切谁，切除掉一台后，要由定时器定时 (5s)等待，以便变频器调节一段时间，防止连续切除动作。这 主要是考虑到本系统的非线性和大小惯性因素而采取的措施。 图 3 运行时模拟调节子程序流程图加电机程序，其动作程序是 :起动结束后无论何时 X2 亮，一旦条件满足，立即关掉变频运行电机和变频器，延时一段时间后 (原因同上 )，将原变频运
